基于POC方法的少自由度无过约束并联机构构型综合

根据基于方位特征集和序单开链单元的并联机构拓扑结构设计理论,提出了一种基于基本回路过约束特性的无过约束并联机构设计方法。首先,分析动平台方位特征集、支链方位特征集以及基本回路独立位移方程数三者之间的关系,确定了少自由度无过约束并联机构构型的存在条件,给出了无过约束并联机构构型综合的方法和步骤。然后,按照支链类型及其对动平台提供的约束不同,将无过约束并联机构构型分为3类,表明通过不同类型的支链组合可得到不同性能的无过约束并联机构新构型。最后,通过典型实例总结无过约束并联构型的支链组成及其装配规律。

以对过约束的认识看自由度分析的历史发展

过约束的处理是自由度计算的关键也是瓶颈,探索统一的自由度计算公式已经历一百五十余年的历史,回顾整个发展历程,其间伴随着人们对过约束由无到有,由浅入深的认识。以自由度计算的核心——"过约束"为线索,贯穿整个自由度发展历史,介绍具有代表性的四十余种自由度公式,按照各自对过约束的处理方式将其分为三大类:原始的自由度公式、考虑机构阶的自由度公式以及考虑全部过约束的自由度公式,总结各类公式的特点、分析其历史地位,从一个新的角度了解自由度发展的历史,为能进一步找出研究工作将来的发展方向,同时提出具有通用性,实用性的自由度新理论奠定基础。

150年机构自由度的通用公式问题

机构通用的自由度公式是一个150年没解决的问题。本文首先介绍了这个问题的来龙去脉,介绍历史上先后出现的那些不服从自由度G-K公式的反常机构,又有哪些学者研究过这个问题,他们的方法有什么特点,介绍Gogu总结出的那些反常的古典机构和现代并联机构,在这里它们被称为机构自由度的"GG问题"。接着,文章着重介绍黄真和他的学生提出的新的基于反螺旋理论的自由度原理和修正的G-K公式,介绍他们在自由度问题上的研究过程、方法和特点。并以"GG问题"中的详尽的古典和现代机构的例子,证明这个方法和公式的通用性、统一性,证明这个方法解决问题具有的强大能力,特别适合当今的多自由度、过约束、甚至某些多环耦合机构,最终证明他们解决了自由度这个古老问题。

二自由度球面并联机构U_(P+R)静力学分析

采用拆杆法建立了机构的静力学平衡方程,考虑构件弹性,利用小变形叠加原理建立了机构的变形协调补充方程,进而完成了二自由度球面并联机构UP+R的静力学分析。通过计算,得到在三种载荷下构件上各力、输入转矩与机构位姿的关系图。结果表明,仅在外力作用下,机构的输入力矩恒等于零,构件上的力随机构位姿的变化比较平缓,仅在外力矩作用下,机构的输入力矩、构件上的力随着机构位姿的变化与机构的特性相关。力与力矩在构件上所产生的两部分力是独立的,并可以分离。研究结果为该机构在工程中的结构设计与应用提供了静力学理论基础和依据。

基于运动副自由度优化配置的机构自调性设计研究

针对机构动力性能对形位误差敏感的问题,通过约束分析,发现普遍使用的平面闭链机构在理想平面约束条件下存在对机构工作性能不起作用的过约束,并导致机构系统对制造误差很敏感,要求很高的制造精度。为此,以曲柄导杆机构为例,阐述如何配置机构的约束和自由度,设计自调性机构。结果表明所得到的自调机构可大幅度降低机构对误差的敏感度,降低生产成本,减轻装配难度,提高机构的传动效率、使用寿命和对环境的适应能力。从机构的结构因素上消除了误差对机械品质的影响,大大提高了其稳健性。

基于一种自由度新理论的过约束判断方法

过约束判断是机构自由度计算的关键,也是瓶颈。为使过约束判断更简单、快速,从其产生的本质出发,考虑约束的相关性,基于一种新的自由度理论,提出结合杆组参数矩阵进行过约束判断的方法。针对夹角不为零的平行R杆组(具有平行转动轴线的杆组)位移参数确定问题,提出参数垂直分量有效法则,使考虑不同几何空间下的螺旋相关性问题转化为仅考虑平行约束的相关性判断问题。将过约束的产生归纳为三类情况,分析各类情况下过约束的数目及类型,总结过约束中公共约束判断和并联冗余约束判断的原则。以一个典型机构为例,利用上述方法对其过约束数目和性质进行求解,以进一步验证所提法则、方法的合理性和实用性。

制造误差对过约束机构性能影响的研究

针对平面闭链机构为超静定的过约束结构和制造误差的非平面性 ,将结构力学中处理超静定结构的力分析法与平面连杆机构的动力分析相结合 ,以构件的扭转变形和弯曲变形为变形协调条件 ,建立了考虑非运动平面过约束的平面连杆机构动力学分析模型。仿真结果揭示了制造误差对过约束机构性能的影响。

平面连杆机构的自调及其允差的分析研究

以 - - - 运动副配置的无过约束平面曲柄滑块机构为研究对象 ,分析了机构自调的机理及其自调时圆柱副中的位移协调规律 ,根据移动副中的自锁条件导出机构能够实现自调的条件 ,在此基础上 ,得到机构能够实现自调的允许误差角 ,为消除或减小过约束机构结构的采用以及机械的精度设计提供了理论依据。

平面曲柄摇杆机构自调结构的分析与设计

对高效、高稳定性及低成本的无过约束自调机构的研究是基于约束不确定的稳健设计的最重要方面。详细分析了无过约束机构能够实现自调的机理;提出无过约束平面曲柄摇杆机构自调性分析的方法,得到机构能够实现自调的允许误差角;得出一些可以指导自调机构结构设计以及运动副形位公差确定等方面的结论和原则。从而为科学地、而不是经验地设计自调机构提供了理论依据。

冗余驱动过约束并联机构受力分析

含有驱动冗余的过约束并联机构具有承载能力大、各向同性良好等特点,但其同时含有主动过约束和被动过约束,受力分析相当复杂。本文以4-PRRR冗余驱动过约束并联机构为对象对该类机构受力的超静定问题进行研究。首先针对主动过约束问题,基于特定的优化目标求解出各驱动力大小。然后针对被动过约束问题,建立各分支过约束力螺旋系的刚度矩阵和机构整体刚度矩阵,分析驱动力在过约束力螺旋系轴线方向产生的耦合变形,采用加权广义逆方法求解得到过约束力螺旋系幅值。联合Solid Works、ANSYS和ADAMS软件建立机构的刚柔混合模型并进行受力仿真分析,仿真结果与理论值基本一致,验证了理论分析结果的合理性。

平面闭链机构中过约束分析的研究与应用

由于不可避免的制造误差 ,平面闭链机构中广泛存在的过约束 ,导致对机械性能的一系列有害影响 ,因而越来越受到机械结构设计者的重视 ,提出了多种机构过约束的分析方法。但是 ,这些方法还存在一些不足 ,还需进一步发展完善。因此在深入、系统研究这些方法的基础上 ,重点介绍了其中两种较好的方法 ,提出了一些新的见解 ,并总结出了一些完善过约束分析方法及其在消除或减小过约束影响设计、应用方面的结论和原则。

平面机构过约束分析方法的综合应用

平面闭链机构及机械系统中广泛存在的过约束导致了机械性能的一系列有害影响 ,已经受到机械结构设计者的充分重视 ,提出了多种机构过约束的分析方法 ,但是这些方法还存在一些不足 ,还需进一步发展完善。笔者针对 2种常用的机构过约束分析方法公式计算法和回路自由度分析法存在的不足 ,在对其深入、系统研究的基础上 ,将 2种方法相结合 ,得到了一种较实用的、且便于计算机辅助分析的机构过约束分析方法 ,并提出了一些机构过约束分析的新的见解。

理论平面过约束分析及无过约束自调结构设计

给出空间平面过约束和理论平面过约束的定义,分析了这两种过约束对机构误差的敏感特性,提出存在理论平面过约束机构的过约束分析方法,得到该类机构存在的过约束的数量和类型,从而为消除或减小该类机构过约束影响指明了方向。在此基础上,提出了该类机构的无过约束自调结构的的设计方法。

无过约束自调机构允差分析的一种精确方法

针对现有方法在自调机构的允差分析时对机构圆柱副中的自调位移规律假设的可行性问题 ,利用矢量旋转的数学方法建立了机构圆柱副中自调位移方程 ,并对自调位移进行编程计算和绘制自调位移曲线 ,结果表明上述假设是可行的 ;在建立的自调位移方程基础上 ,提出了一种确定机构能够实现自调的允许误差角的精确方法。实例分析结果表明提出的方法是正确、有效的。

平面5R并联机器人约束误差影响分析

少自由度并联机器人中的过约束构型,具有结构简单、刚度大的优点,但其依赖运动副轴线间的特殊几何约束关系,如平行、垂直、汇交于一点等,来实现预期的动平台自由度。此类机构有对几何约束条件敏感的缺点,约束误差的存在将对机构产生一系列不良影响。基于此,以平面5R并联机器人为对象,在分析其过约束特性基础上,研究运动副轴线几何约束误差导致的回路封闭变形协调条件。应用矩阵力法计算强制装配引起的机构附加内力以及连杆的变形,从而分析动平台的寄生运动以及机构的应变能波动。对一种具体的5R并联机器人进行仿真分析,计算结果揭示了过约束机构对运动副轴线几何约束误差的敏感性以及约束误差与过约束共同作用下对并联机器人性能的影响机理。

空间6杆回路的过约束分析

提出一种研究空间6杆回路过约束问题的完全解析法，只用4个基本方程并结合轮换就可判定回路的过约束性，同时可得到封闭条件，进而导出输入输出关系。用该法可方便导出Bricard三面体机构的封闭条件及输入输出关系，并完善了一个已有4R2P过约束机构的封闭条件及输入输出方程的解析式。

平面机构中的过约束

过约束广泛存在于各种平面机构中,并对机械系统性能造成了一系列有害影响;另一方面,在许多情况下,过约束及过约束结构也常常是机构及机械系统正常工作的必然的客观需要.对平面机构中过约束产生的机理进行了详细的分析研究,在此基础上系统地将其分为运动副元素上的过约束,重复运动副结构中的过约束和封闭运动链中的过约束,并分析了过约束对机械系统性能产生的影响.同时,提出了一些消除或减小过约束有害影响的措施.

具有重复结构的平面连杆机构的过约束分析

给出空间平面过约束和理论平面过约束的定义,分析了这两种过约束对机构误差的敏感特性。提出具有重复结构的平面连杆机构的过约束分析方法,得到该类机构存在的过约束的数量和类型,从而为该类机构消除或减小过约束影响的措施的采取指明了方向。

调节阀气缸活塞执行机构的自调结构分析与设计

气缸活塞执行机构是调节阀主要的驱动机构之一。由于该执行机构中存在过多的过约束,导致该机构安装困难及工作过程中零件的严重磨损。在对该机构进行过约束分析的基础上,进行该机构的自调结构设计,并利用ADAMS软件对该机构及其自调机构进行仿真分析。结果表明,自调机构中不仅各运动副的受力明显减小且变化均匀,从而有效的减小了该执行机构的弹性振动及运动副的磨损;同时,运动副形位误差对机构性能影响的敏感度降低,从而降低了对运动副元素的精度要求,降低了产品的制造加工成本。

基于虚约束的平面连杆机构运动副合理设计与配置

平面连杆机构中广泛存在着虚约束导致机械系统众多的缺陷,已经受到机械结构设计者的充分重视。文中分析了平面机构中虚约束存在的几种形式及其虚约束数的计算,并提出一些对平面连杆机构运动副的合理设计与配置具有指导意义的原则。